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(河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

于卫红[1]针对南海特殊环境条件，设计了S- spar平台。总体结构见图1。图2为在SESAM中建立的结构模型。S- spar平台对垂荡运动性能要求严格，中部布置垂荡板可显著减小垂荡运动[2]。但其垂荡板数目是参考Truss Spar平台3个垂荡板的设计，并未结合平台本身的特性进行深入研究。由于实验开展限制较多，在频域内考虑不同垂荡板数目时S- spar平台的水动力特性，以求得最适合S- spar平台的垂荡板数目。

图1 S- spar平台总体结构

图2 S- spar平台结构模型

S- spar平台需要系泊系统来限定其运动。系泊系统一般分为两类：张紧式系泊与悬链式系泊。在同等水深条件下，张紧式系泊的系泊缆索较短，平台偏移量小，占用海床的面积小[3]。深海平台中多采用钢悬链线立管(SCR)，因为顶端张紧立管(TTR)难以适应平台较大的偏移量与升沉量[4]。Ormberg等[5- 6]分别用时域耦合计算和非耦合计算分析海洋平台/系泊/立管的相互作用问题，发现耦合计算能够更好地模拟系泊系统及立管的响应。基于4块垂荡板的S- spar平台的频域分析结果，采用时域耦合计算法分析S- spar平台在其作业工况下的动力响应特性：取南海10年一遇非台风条件，对S- spar平台的张紧式系泊系统与钢悬链线立管进行耦合分析，比较有无立管时系统的动力响应，并针对立管张力过大的问题，提出安装浮子的解决方案[7]。讨论浮子的位置及浮子浮力，使得浮子能够最大程度地减小立管张力，保护立管安全。

1 S- spar平台数值模型

S- spar平台工作水深1 500 m，布置3块垂荡板，基本尺度及相关参数如下。

总长 169 m； 主体重量 51 432 t；

中段长度 84 m； 浮心距龙骨距离 82 m；

总排水体积 49 630 m2； 软舱长度 15 m；

重心距龙骨距离 71 m； 硬舱直径 28 m；

垂荡板数目 3； 工作水深 1 500 m；

硬舱L长度 70 m； 垂荡板间距 21 m。

2 垂荡板数目确定

分别安装0～7块垂荡板的模型见图3。

图3 分别安装0～7块垂荡板的S- spar平台模型

表1为不同数目垂荡板对应的平台总体垂荡附加质量和单板垂荡附加质量。

表1 不同数目垂荡板对应的平台和单板垂荡附加质量

图4 不同数目垂荡板对应的平台垂荡RAO

由表1可知，随着垂荡板数目的增加，平台的总附加质量不断增加，但分配到每块垂荡板上的附加质量不断减小，说明垂荡板的利用效率越来越低。垂荡板的布置数目在满足设计要求的同时,应该合理考虑其利用效率,以降低平台的成本[8]。由图4可见，垂荡板数目从0增加到4时，平台垂荡响应显著减小。数目为4时，平台的垂荡响应为2.8 m，为无垂荡板时的64%，比3块垂荡板时降低了15%。垂荡板数目再继续增加时，垂荡RAO虽有减小，但已不明显，所以选择4块垂荡板作为优选方案。

3 立管及张紧式系泊系统耦合分析

3.1 海洋环境条件

取中国南海油田典型环境条件：10年一遇非台风海况作为其作业工况，波浪谱为JONSWAP谱，有义波高6.5 m，谱峰周期12.3 s，谱峰因子为2，风谱为NPD风谱，平均风速16 m/s，表面流速1.09 m/s。

对S- spar平台来说，当风、浪、流同向时，环境荷载对系泊缆及立管上的临界力达到最大[9]。因此，本文选取风、浪、流方向一致，均取为与X轴正方向成0°进行计算。

3.2 系泊系统与立管设计

系泊系统采用三段组合式张紧式系泊，分为4组，每组3根，共12根。每根系泊缆自上(导缆孔)而下(海底点)分别由上段钢缆、中段聚酯缆和下段钢缆组成，导缆孔位置与平台重心约在同一水平面上。各段参数见表2。

表2 系泊缆主要参数

立管采用钢悬链线立管(SCR)。立管内部流体为石油，密度为880 kg /m3，外部为海水，密度为1 025 kg /m3。4 根立管悬挂在甲板外侧，参数见表3。

表3 立管主要参数

图5为立管及系泊系统布置示意图，1～12号为系泊缆，相隔30°布置1根。13～16号为立管，与1号、4号、7号、10号相隔45°逆时针布置。耦合分析模型如图6所示。

3.3 耦合分析结果

立管的存在对平台浮体运动响应及系泊缆张力会产生影响[10]。本文给出了有无立管时，S- spar平台的6个运动自由度上的响应值、系泊缆及立管的最大张力值，结果见表4。

图5 立管及系泊系统布置示意图

图6 平台、立管及系泊系统耦合分析模型

参数最大值无立管有立管最小值无立管有立管平均值无立管有立管纵荡响应值/m38.8428.800.280.2531.8425.99横荡响应值/m1.541.03-2.96-3.35-2.38-1.39垂荡响应值/m0.010.92-5.81-0.36-4.160.22横摇响应值/(°)1.900.89-0.03-0.191.380.49纵摇响应值/(°)1.830.84-0.020.041.010.50首摇响应值/(°)1.640.210.000.000.940.087号缆钢缆张力/kN1690137030902830138011307号缆聚酯缆张力/kN16601340274024601350110014号立管最大张力/kN-8190-7460-7840

有无立管耦合会对平台各个方向的运动产生显著的影响。考虑立管耦合后，平台6个方向的运动响应平均值均明显减小，可见立管对于平台不仅有生产输油的作用，也在一定程度上充当了系泊缆的作用。为保证平台安全进行钻井作业，立管系统不能有大幅度的运动。平台水深作业为1 500 m时，其活动半径(即水平位移)不能超过30 m(2%的作业水深)[11]。该立管与系泊系统耦合条件下，平台的最大活动半径是平台的纵荡位移，为28.80 m，符合立管的作业要求。在0°环境荷载方向作用下，无论有无立管耦合，都是7号缆的张力响应值最大，1号缆最小，这是因为7号缆为迎浪侧，受到风浪流的直接作用，1号缆相反。根据API规范要求，系泊系统完好时钢缆最大张力的安全系数应大于1.67，纤维材料系泊线应大于1.82[12]。无立管时，7号缆上部钢缆安全系数为3.95，中部聚酯缆为4.74；有立管时，上部钢缆的安全系数为4.81，中部聚酯缆为5.84，均满足规范要求。考虑立管耦合后，发现张力最大的立管为14号立管，张力值见表4。

图7 系泊缆最大张力响应谱

由图7可知，在考虑立管后，平台系泊系统的张力明显减小，这对于整个平台的系泊系统而言是更加安全的。虽然系泊缆张力得到了减小，但是立管上的张力仍然很大，为系泊缆张力的7倍左右。本文进一步研究在保证系泊缆安全的基础上，在立管上安装浮子以减小立管的张力，并讨论浮子位置、浮子浮力对立管张力的影响。

4 浮子对立管张力的影响

4.1 浮子位置的影响

计算浮子浮力为300 kN时，距立管顶端不同距离情况下浮子对立管及系泊系统的影响。由于立管长度较长，会在海底形成一段躺底长度，为使浮子更好地发挥作用，浮子不设在躺底的立管上，而是设在立管悬垂段上。模型的立管躺底长度约为1 300 m，悬垂长度约为1 900 m，浮子便设在距离立管顶端1 900 m长度内。不同距离分别取距立管顶端0、285、570、950、1 235、1 520、1 800 m，即悬垂段的0%、15%、30%、50%、65%、80%、95%来进行分析比较。

运动及张力随浮子安装位置的变化见图8。

图8 运动及张力随浮子安装位置的变化

由图8可知，立管上安装浮子后，立管张力显著减小。立管最大张力随浮子距立管顶端距离的增加呈先减小后增大的趋势。当浮子距立管顶端的悬垂段百分比为65%时，立管的张力最小。7号缆上的张力随浮子距顶端距离的增加而逐渐增大，但增幅较小。在浮子距立管顶端的悬垂段百分比为65%时，计算其上部钢缆的安全系数为4.83，中部聚酯缆为5.79，均满足规范要求。平台的纵荡响应随浮子距顶端距离的增加呈先增大后减小的趋势，但变幅很小，仅约为0.3 m，因此认为浮子位置的变化对平台的纵荡位移影响很小。综上分析，将浮子设在立管悬垂段距顶端65%位置处时，减小立管张力的效果最好。

4.2 浮子浮力的影响

确定浮子安装的最佳位置，即距立管顶端悬垂长度的65%处后，再改变浮子浮力，来比较其对立管及系泊系统的影响。运动及张力随浮子浮力的变化见图9。

图9 运动及张力随浮子浮力的变化

7号缆与14号立管上的张力仍然最大。由图9可知，7号缆上的张力随浮子浮力的增加而逐渐增大，在浮子浮力取1 200 kN时,其张力最大，此时安全系数最小：上部钢缆为3.63，中部聚酯缆为4.33，均满足规范要求。14号立管的张力随浮子浮力的增加而显著减小，同时平台纵荡位移逐渐增大。当浮子浮力为500 kN时，平台的纵荡位移为29.75 m，此时立管张力比无浮子时减小了25%，受力状态显著改善。浮子浮力再增大，平台纵荡位移将无法满足不超过2%的作业水深的要求。综上分析，本文选择500 kN的浮子，并安装在距立管顶端悬垂长度的65%处作为浮子的最优方案。

5 结论

1)此前的S- spar平台设计中，垂荡板数目的确定是参照Truss Spar平台的3块垂荡板设计，本文研究发现S- spar平台设置4块垂荡板更为合适，为未来S- spar平台结构的优化设计提供了参考。

2)在立管与系泊系统耦合作用下，立管在一定程度上充当了系泊缆，使得平台6个自由度上的运动均比无立管时小，系泊缆上的张力也减小，平台更加安全。

3)当浮子浮力一定时，将浮子安装在距立管顶端悬垂长度的65%位置处，减小立管张力的效果最好。在利用浮子减小立管张力的工程中，此结论有一定的借鉴意义。

4)浮子位置对平台的纵荡位移影响较小，而浮子浮力影响较大。在海洋平台系泊系统及立管设计中，设置浮子浮力大小时要密切关注平台纵荡位移的变化。

5)立管张力随浮子浮力的增大显著减小，但是浮子浮力的合理取值受立管重力、平台质量等因素的影响，其影响规律还有待进一步研究。

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